Топогеодезическое обеспечение войск является необходимым условием успешного выполнения любой войсковой операции. Этот известный факт подтверждается тем, что в структуре Вооруженных Сил Российской Федерации (ВС РФ) существует и успешно действует Топографическая Служба (ТС). Эта служба решает обширный круг задач, начиная от топогеодезического обеспечения действий отдельного подразделения и заканчивая топогеодезическим обеспечением родов войск и видов ВС, таких как Ракетные войска Стратегического Назначения и Военно-космические войска.
Автор диссертации, начиная с 1979 года, служит в Вооруженных Силах Российской Федерации, и топогеодезическое обеспечение войск является областью его профессиональной деятельности. Тема диссертации вытекает из опыта профессиональной деятельности автора. Исследования автора лежат в области обеспечения исходными астрономо-геодезическими и гравиметрическими данными как ВС в целом, так и действий мобильных ракетных войск тактического, оперативно-тактического и оперативного назначения в частности.
Существенная особенность таких ракетных войск состоит именно в их мобильности. При этом, как правило, ракетная установка прибывает на стартовую позицию, местоположение которой стартовому расчету заранее неизвестно. Неизвестен даже сам момент прибытия. Таким образом, в момент прибытия ракетной установки в позиционный район там отсутствует необходимое обеспечение исходными астрономо-геодезическими и гравиметрическими данными, то есть отсутствуют пункты геодезической сети, которые можно использовать в качестве исходных для определения координат старта. В связи с этим еще большей проблемой является отсутствие на стартовой позиции или вблизи неё ориентирного направления или ориентирных направлений, необходимых для прицеливания с требуемой точностью.
Наиболее оперативным инструментальным методом определения местоположения (координат) является спутниковый метод, реализуемый с помощью глобальных спутниковых систем позиционирования ГЛОНАСС, GPS (NAVSTAR). Приёмники указанных систем позволяют определять местоположение с ошибкой порядка от нескольких миллиметров до примерно 15 метров в зависимости от типа приёмника, методики наблюдений и времени наблюдений. Во всяком случае, если поставлена задача определить координаты стартовой позиции с ошибкой от нескольких дециметров до нескольких метров, то её можно решить с использованием соответствующего спутникового приёмника в течение нескольких минут, в крайне неблагоприятных условияхв течение нескольких десятков минут.
Как показывает имеющийся опыт, наиболее оперативным инструментальным методом определения азимутов ориентирных направлений является метод, основанный на использовании гиротеодолита.
Целью диссертационной работы является разработка метода создания геодезических сетей специального назначения (ГССН) сочетанием спутниковых и наземных измерений с последующим его использованием для оперативного обеспечения исходными астрономо-геодезическими и гравиметрическими данными войск в ходе боевых действий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— провести анализ требований к точности определения элементов ГССН и основных методов развития ГССН, создаваемых в интересах Вооружённых Сил РФ;
— разработать научный подход к совместной обработке спутниковых и наземных измерений, выполняемых в разных координатных системах;
— разработать и апробировать методику совместного использования спутниковых и гиротеодолитных измерений при создании ГССН;
— определить эффективность от внедрения разработанной методики в практику подразделений Топографической Службы Вооружённых Сил (ТС ВС).
Автор предполагает, что наилучшим подходом к осуществлению оперативной геодезической подготовки стартовой позиции в частности и всего района действий соответствующих ракетных войск в целом является рациональное сочетание гиротеодолитных и спутниковых измерений. При этом координаты стартовой позиции можно в большинстве случаев определять простым навигационным спутниковым приёмником. При повышенных требованиях к точности определения местоположения стартовой позиции можно использовать спутниковый приёмник, работающий в режиме дифференциальной навигации.
Методика по определению исходных астрономо-геодезических данных для войск в районах предполагаемого боевого применения может предусматривать следующие действия. В данном районе или в непосредственной близости от него закрепляют пункты и, с помощью спутниковых приёмников, определяют координаты этих пунктов. С помощью гиротеодолитов определяют астрономические азимуты направлений между пунктами и на ориентирные пункты. На заключительном этапе передают координаты и ориентирующие направления в необходимые места (например, на место старта). Разумеется, последовательность процедур должна включать контрольные операции и обработку результатов измерений.
Описанная в таком виде методика обеспечения исходными геодезическими данными стартовой позиции представляется автору оперативной, так как она предполагает использование автономного оборудования и возможность работы практически в любых условиях. Более того, такая методика с первого взгляда может показаться очевидной. Но только на первый взгляд. На самом деле, такой подход к решению задачи, основанный на сочетании двух методов, требует серьезных теоретических исследований и практической проверки результатов этих исследований.
Первоначальная причина всех проблем, возникающих при практической реализации изложенного подхода к обеспечению исходными астрономо-геодезическими данными, состоит в том, что координаты пунктов и азимут относятся к совершенно разным системам координат. И этой разницей на требуемом уровне точности определения ориентирного направления характеризующейся ошибкой в несколько угловых секунд) пренебречь нельзя. Спутниковый приёмник позволяет определять координаты пункта в какой-либо геодезической системе координат, например, в WGS-84 или в ПЗ-90. Гиротеодолитом же азимут определяется в наземной астрономической системе координат. В общей формулировке задача состоит в том, чтобы привести результаты спутниковых и гиротеодолитных измерений в единую систему координат, при этом сделать такое приведение необходимо оперативно и с требуемой точностью.
В высшей геодезии известны методы, позволяющие связать результаты, полученные в астрономической системе координат, и результаты, полученные в геодезической системе координат. Для такого пересчета необходимо знать, кроме составляющих уклонений отвесной линии в каждой точке измерения, ряд параметров преобразования, позволяющих перейти от одной системы координат к другой. Однако современный уровень развития высшей геодезии и современный уровень изученности Земли и её внешнего гравитационного поля в общем случае еще не позволяют знать с заданной точностью параметры такого перехода (параметры трансформирования) в любой интересующей точке поверхности Земли.
Задача обеспечения исходными астрономо-геодезическими и гравиметрическими данными (геодезического обеспечения) в том виде, как она поставлена, может быть выполнена поэтапно. На первом этапе необходимо заранее выполнить определенную геодезическую подготовку района предполагаемых действий. Только после этого можно будет оперативно выполнить второй этап — определить координаты стартовой позиции и ориентирующее направление так, как это описано выше. Именно первый этап потребует наибольших затрат времени и ресурсов. Такова плата за простоту и оперативность определения координат стартовой позиции и ориентирного направления.
Суть предложения автора диссертации сводится к тому, чтобы в предполагаемом районе действий ракетных войск заранее создавать локальные полигоны, более или менее равномерно расположенные на площади этого района. На пунктах геодезической сети, расположенной на территории такого полигона, предлагается выполнять координатные определения спутниковыми приёмниками. На этих же пунктах предлагается выполнять азимутальные измерения с помощью гиротеодолитов. Полученные результаты измерений и их обработки предлагается использовать для определения параметров преобразования в любой точке данного района.
Актуальность данной диссертационной работы состоит в том, что в современных условиях, в связи со сложной политической обстановке в мире, вопросы обеспечения национальной безопасности РФ выходят на первый план. В связи с этим особое значение приобретает существенное повышение эффективности топогеодезического обеспечения различных родов войск в структуре Вооруженных Сил Российской Федерации. В то время как наука предлагает современные технологические разработки, отвечающие требованиям времени, части ТС Вооруженных Сил РФ не обеспечены ни новыми приборами, ни технологиями. В настоящее время эти части и подразделения при проведении работ по созданию исходной геодезической основы используют приборы и методы 80~ годов прошлого столетия. Таким образом, необходимо внедрение в практику работы частей и подразделений ТС ВС новых технологий, которые позволили бы при производстве топогеодезических работ опираться на современные методы, среди которых, наряду с известными наземными, выделяется спутниковый метод. А это, в свою очередь, является определяющим фактором в существенном повышении эффективности топогеодезического обеспечения Вооруженных Сил Российской Федерации в целом и обеспечения исходными астрономо-геодезическими данными войск в частности.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что предложенная и разработанная методика позволяет сократить время выполнения работ, что является в боевой обстановке важнейшим условием, и повысить точность исходных геодезических данных для привязки боевых средств и различных систем оружия в сравнении с известными методиками выполнения работ.
Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней разработан новый метод решения задач по геодезическому обеспечению войск.
Что касается личного вклада автора диссертационной работы, то, во избежание повторений, следует сказать, что все задачи, перечисленные во введении, касающиеся «научной новизны», решены лично автором. Постановка этих задач в их окончательной формулировке также сделана автором.
Внедрение результатов работы осуществлено в ходе тактико-специального учения с топогеодезическим отрядом Московского военного округа.
Апробация результатов работы выполнялась в виде докладов и обсуждений их на сборах командиров частей ТС, начальников ТС объединений и соединений, старших преподавателей военных ВУЗов Московского военного округа в мае 2002 годана 57-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Московского государственного университета геодезии и картографии в апреле 2002 года.
На защиту выносятся:
— результаты анализа требований к точности элементов ГССН, развиваемых в интересах ВС;
— принципы и схемы построения ГССН при сочетании наземных и спутниковых измерений;
— разностный метод определения параметров преобразования координат и формулы разностного метода преобразования координат;
— алгоритм перехода от измеренных приращений координат в пространстве к элементам плоских сетей;
— методика совместного использования спутниковых и гиротеодолитных измерений для определения азимутов ориентирных направлений;
— результаты интерполяционной функции для определения нормальных высот;
— результаты анализа вариантов проектов развития ГССН в интересах ВС.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в трёх научных статьях [26], [27], [28].
ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ.
1. Предложена, разработана и апробирована новая методика выполнения измерений на пунктах ГССН при сочетании спутниковых измерений по определению координат и высот пунктов и наземных измерений по определению азимутов гиротеодолитами. Результаты апробации успешны и соответствуют расчетным данным [27], [28].
2. Использование предложенного метода по определению координат и высот пунктов ГССН спутниковыми приёмниками GPS совместно с определением азимутов (дирекционных углов) сторон сети и направлений на ОРП по точности не уступает, а в отдельных случаях (при использовании геодезических спутниковых приёмников) и превосходит точность соответствующих данных, определённых традиционными наземными методами.
3. Применение данного метода позволит получить экономию времени на выполнение полевых измерений до 50% и более за счёт существенного.
124 снижения трудозатрат. Кроме того, отпадает необходимость в постройке наружных знаков для обеспечения видимости между пунктами. 4. Применение данного метода позволит оперативно решить целый ряд специальных задач по топогеодезическому обеспечению ВС РФ, в труднодоступных, слабообеспеченных в геодезическом отношении районах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В данной диссертационной работе представлены, наряду с известными отдельно наземными и отдельно спутниковыми методами создания геодезических сетей специального назначения, некоторые возможные сочетания указанных методов. Подробно рассмотрены варианты создания ГССН в интересах ВС РФ, где определение координат и высот пунктов осуществляется с помощью спутниковых приёмников GPS, ГЛОНАСС, а азимуты (дирекционные углы) сторон сети и различных направлений с помощью автономных средств ориентирования — гиротеодолитов [26].
Предлагаемые варианты решения одной из важнейших задач топогеодезического обеспечения боевых действий войск — создание исходной геодезической основы представляют собой научно-обоснованную разработку нового способа создания геодезических сетей специального назначения, в сжатые сроки, в любых погодных условиях, в интересах тех самых войск, и в первую очередь — ракетных войск.
Активное применение спутниковой аппаратуры позволяет исключить необходимость в установлении прямой видимости между смежными пунктами, и, как следствие, постройку знаков для обеспечения этой видимостиповысить точность определения координат пунктов, снижая при этом время на собственно определенияисключить необходимость построения геодезических сетей для передачи координат в заданный районвыполнять измерения круглосуточно и при любых погодных условиях. При всём этом следует отметить, что с помощью только спутниковой аппаратуры азимут на отдельно взятом пункте определён быть не может. Для определения азимута на отдельно взятом пункте необходимо отнаблюдать пару пунктов, имеющих взаимную видимость. Применение гиротеодолитов для определения азимутов на пунктах ГССН позволяет устранить эти затруднения [26].
В работе показано, что сочетание спутниковых и наземных методов является наиболее гибким в организационном отношении.
Представлены варианты решения задачи перехода от общеземной системы координат к референцной (например, для спутниковых методов WGS-84, ПЗ-90, а для наземных — СК-95 (СК-42). Для этого рассмотрены вопросы перехода от одной системы к другой, существующие способы определения параметров координатных преобразований, а главное — предложен новый разностный метод определения параметров, отличающийся от других методов тем, что в нём происходит разделение общей системы уравнений на три подсистемы — отдельно для каждой координаты. В каждую такую подсистему входят неизвестные одинаковой размерности (только угловые или только линейные), что облегчает анализ полученных результатов [28].
Рассмотрено два варианта подхода к решению задачи совместной обработки наземных и спутниковых измерений (геодезических азимутов, полученных по спутниковым наблюдениям, и астрономических азимутов, полученных гироскопическим методом). Первый — редукция наземных измерений к пространственной системе координат. Второй — обратная задачаредукция измерений, выполненных в трёхмерном пространстве, к системе плоских координат проекции Гаусса-Крюгера. Для решения последней задачи разработан общий алгоритм такого перехода [27]. В рамках этого общего алгоритма рассмотрен частный, но важный случай совместной обработки спутниковых измерений и астрономических азимутов. Экспериментально доказано, что при развитии ГССН на локальных участках (площадью до 100км) и требованиях к точности определения азимутов — 1″ (для ГССНтакая точность «с запасом»), нет необходимости редуцировать полученные приращения координат (например, в WGS-84) в другую систему (например, СК-95). В этом случае допустимо использовать матрицу перехода от прямоугольных координат к горизонтным, полученную для выбранного л эллипсоида. На таких локальных участках (до 100 км) достаточно определить поправки Лапласа на трёх пунктах, чтобы при необходимости на любых других пунктах найти эти поправки с помощью линейной интерполяции [27].
В представленной работе рассмотрены различные способы получения значений нормальных высот пунктов геодезических сетей. Для ГССН наибольший интерес, по мнению автора, представляет способ интерполяции аномалий высот. В связи с этим, экспериментально доказано, что на ограниченных участках для получения значений нормальных высот (с точностью, удовлетворяющей требованиям, предъявляемых к ГССН), по вычисленным из спутниковых наблюдений значениям геодезических высот и значениям аномалий высот, для построения интерполяционной функции достаточно на этот участок иметь три совмещённых пункта с известными геодезическими и нормальными высотами.
Автором в работе рассмотрены возможные сочетания спутниковых и наземных методов при развитии ГССН. Предложена и впервые апробирована в ходе практического эксперимента новая методика по созданию ГССН. При этом для практического применения по определению координат и высот пунктов был рекомендован и использован в ходе эксперимента быстрый статический режимазимуты сторон сети и направлений на ОРП были определены с помощью гиротеодолитов Ги-Б2 и Ги-Б3[26].
При обработке полученных в ходе эксперимента данных использовались предложенные в данной работе методы и способы определения различных параметров. Выполненные полевые измерения и последующая обработка результатов полностью подтвердили правильность положений теоретических разработок.
Автор считает, что применение данного комплексного метода, при соответствующем техническом обеспечении, позволит подразделениям ТС ВС РФ оперативно решать специальные задачи по созданию геодезических сетей специального назначения (специальных геодезических сетей — СГС), добиться существенного снижения трудозатрат и сроков выполнения работ, что особенно важно при топогеодезическом обеспечении войск, в условиях труднодоступной, слабообеспеченной в геодезическом отношении в сложных физико-географических районах.